JP2012230438A - ラック装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラック装置内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供する。
【解決手段】 電子部品を有する１以上の基板３を内部に収容するラック装置１であって、ラック装置１の第一の側面１０から外部の空気を吸入し、その空気を第二の側面１１から外部へ排出するファン６と、第一の側面１０から吸入する空気の温度を検知する第一センサ４と、第二の側面１１から排出する空気の温度を検知する第二センサ５と、第一センサ４が検知した温度と第二センサ５が検知した温度との差に基づき、ファン６の回転を制御する制御部７とを備えるラック装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンピュータやネットワーク機器等の電子機器を収納するラック装置及びラック装置に収納される電子機器の冷却方法に関する。

近年、コンピュータやネットワーク等のシステムのクラウド化に伴い、かかる電子機器を収納するラックにおいては、電子機器の高密度化や設置スペースの縮小による小型化が進められ、電子機器の温度上昇はシステムトラブルに直結するため、ラック内部の電子機器の発熱問題に対処することがますます重要になってきており、より効率的な冷却手法が要請されている。
一般的に、この発熱問題に対応するため、電子機器の冷却手法としては、ラック内に冷気を取り込み、発熱した電子機器から熱を吸収し温められた暖気をラック外に強制的に排出することにより、電子機器を冷却する構成や方法が挙げられる。

例えば、特許文献１では、複数の電子機器を収納するための前面及び後面が開口したキャビネットを備え、該キャビネットの後面開口に通気可能なリアドアを備え、該リアドアに冷凍サイクルを構成する蒸発器と共に、排気する空気の温度を検知する排熱温度センサと送風ファンを備え、送風ファンにより送風される電子機器の排熱を含む空気をリアドアの蒸発器で冷却して室内に戻すようにしたラックが開示されている。

また、特許文献２では、吸気口と排気口とを有するラック本体からなり、該ラック本体内には、仕切板で仕切られた複数のサーバ収容室が形成され、排気口に、サーバ収容室に収容されたサーバが備える内蔵ファンよりも大風量を送風できるファンと、該ファンに近接して温度検知装置が備わり、排気される暖気の温度に基づいて、ファンの風量を調整するサーバラックが開示されている。

また、特許文献３では、電子機器を内部に収容するラック本体と、ラック本体の内部を冷却する本体冷却手段と、ラック本体内部の温度を検出する温度検出手段と、ラック本体内部の騒音状態を表す騒音特性値を検出する騒音検出手段と、温度検出手段により検出された温度、及び、騒音検出手段により検出された騒音特性値に基づいて、本体冷却手段の出力を制御する制御手段とを備えるラック装置が開示されている。

特開２００９−１４０４２１号公報 特開２００９−１３４５０７号公報 特開２０１０−２７９１１号公報

上記のいずれの冷却手法も、排気するファンの近傍に温度センサを設け排出する空気の温度に基づいて、又は、ラック内部の前後に温度センサを設けラック装置内部の空気の温度の平均値に基づいて、ファンの風量や回転速度を制御している。また、ラック装置が複数のファンを備える場合、ファンと温度センサとの対応が取れておらず、検知した空気の温度とその空気を排気するファンの制御とが対応していない。

しかし、排出温度のみでファンを制御すると、ラック装置に吸引されるラック装置前面の空気（コールドアイルの空気）の温度が変化した場合、吸引温度の変化に伴いファンの制御を行う必要がある。例えば、吸引温度が上昇した場合排出温度もそのままでは上昇するので、その上昇分を抑えようとして、ファンの回転速度を上げる必要がある。逆に、吸引温度が下降した場合、ファンの回転速度を下げる必要がある。このように、排出温度のみでファンを制御すると、回転制御が頻繁となり、ファンの動作が安定しない。

また、サーバに代表されるラック装置内部の電子機器は、その使用状態により発熱量が変化するので、ラック装置内部に複数の電子機器を含む基板がある場合、一部の基板では発熱量が多くその他の基板では少ないなど、ラック装置内部においても発熱温度が異なる場合がある。さらに、コールドアイルの空気の温度は、床面からの高さにより異なる場合が多く、ラック装置内部における基板の位置（高さ）によって、吸引温度が異なる場合がある。かかる場合、ラック装置全体で排出する温度の空気の温度を制御すると、各サーバの発熱量と位置（高さ）に応じた排出温度制御ができない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ラック装置を配置するマシンルームの空調設備と協働することを前提として、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供することである。

上記課題を解決するために、電子部品を有する１以上の基板を内部に収容するラック装置であって、そのラック装置の第一の側面から外部の空気を吸入し、該空気を第二の側面から外部へ排出するファンと、第一の側面から吸入する空気の温度を検知する第一センサと、第二の側面から排出する空気の温度を検知する第二センサと、第一センサが検知した温度と第二センサが検知した温度との差に基づき、ファンの回転を制御する制御部とを備えるラック装置が提供される。
これによれば、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化に追従しない、ファンの動作を安定させるラック装置を提供できる。

さらに、第一センサと第二センサは、ファンに対応した高さに備えられ、制御部は、ファンに対応した第一センサと第二センサが検知した温度の差に基づき、ファンの回転を制御することを特徴としてもよい。
これによれば、ラック装置内の電子機器の温度変化に追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供できる。

さらに、ファンとファンに対応する第一センサ及び第二センサの組を垂直方向に複数備え、制御部は、各組ごとに、その差に基づき、ファンの回転を制御することを特徴としてもよい。
これによれば、ラック装置内の電子機器の位置と発熱量に応じた温度変化に追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供できる。

さらに、ラック装置は、基板は筐体の内部に備えられ、その筐体を内部に載置することを特徴としてもよい。
これによれば、電子機器を有する基板が筺体内部に含まれる場合であっても、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供できる。

別の観点によれば、上記課題を解決するために、ラック装置に収容された電子機器を、ラック装置に備えられた吸排気手段によって、冷却する冷却方法であって、ラック装置の外部からラック装置の中へ吸入する空気の温度と、ラック装置の中からラック装置の外へ排出する空気の温度との差に基づき、吸排気手段の出力を制御する冷却方法が提供される。
これによれば、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化に追従せず、ファンの動作を安定させる、ラック装置に収容された電子機器を冷却する冷却方法を提供できる。

以上説明したように、本発明によれば、ラック装置を配置するマシンルームの空調設備と協働することを前提として、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を提供することができる。

本発明に係る第一実施例の縦断面図。 本発明に係る第一実施例の斜視図。 本発明に係る第一実施例の変形例における、（Ａ）正面図、（Ｂ）背面図、（Ｃ）側面図、（Ｄ）上面図、（Ｅ）底面図、（Ｆ）縦断面図、（Ｇ）横断面図。 本発明に係る第一実施例の変形例における、ファンの詳細図。（Ａ）上から見た図。（Ｂ）背面から見た図。 本発明に係る第一実施例の変形例の斜視図。 本発明に係る第一実施例の変形例のタッチパネル初期画面。 本発明に係る第一実施例の変形例のタッチパネル画面遷移図。 本発明に係る第一実施例の変形例のタッチパネル目標出入温度差入力画面。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。
（第一実施例）
図１は、本発明に係る第一実施例におけるラック装置１の縦断面図を示す。ラック装置１は、通常、空気調和システムを有した電算機室の、床下空間を有する床Ｆの上に設置される。空気調和システムで冷却された冷気は床下空間に吹き出され、この床下空間に冷気が正圧をもって充満し、冷気は床Ｆの所々に設けられた吹出口から上方に吹き出す。

電算機室の中では、ラック装置１は、室内で当ラック装置を効率よく配置するために、列をなし配置される。ラック装置１は、通常その前面から冷気を吸入し、背面から電子機器などにより温められた暖気を排出する。したがって、列をなし配置されたラック装置１からなる電子機器収納ラック群（図示せず）は、互いが平行になるように配置される際、各ラック装置１の冷却効果を高めるため、冷気が噴き出す吹出口がある通路に対して前面を向けて両側に配置される。そうすると、暖気を排出するラック装置１の背面側も、隣のラック装置群のラック装置１の背面側と向き合うように配置されることとなる。その結果、電算機室では、冷気が吹き出す吹出口がある通路、すなわち、コールドアイルＣＡと、両側のラック群が暖気を排出するホットアイルＨＡとが交互に現れることになる。

ホットアイルＨＡに排出された暖気は上昇し、電算機室の天井付近に到達した後、空気調和システムが、壁面の上部辺りや天井の開口部などから暖気を吸入し、冷却することにより、再度冷気となって電算機室内を循環させる。このように、コールドアイルＣＡとホットアイルＨＡを明確に分けると冷気と暖気が混合されることが少なくなるので、空気調和システムを使って冷却した空気を効率よくラック装置内の電子機器に供給できる。

ラック装置１は筺体２を内部に備え、筺体２は電子部品を有する基板３を内部に備える。典型的には、筺体は、１Ｕ〜数Ｕの高さを有するサーバであり、通常ラック装置１に１以上収容される。本図のように横置きされてもよいし、ブレードサーバのように縦置きされてもよい。また、電子部品を有する基板３は筺体２に含まれず、直接ラック装置１の中に収容されてもよい。筺体が不要となるので、基板３をより高密度にラック装置１の中に収容できる。

ラック装置１の第一側面１０は、コールドアイルＣＡに面し、空気の流れを生じさせるファン６を動力として、コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１をラック装置１の中へ吸入する。ファン６が生じさせる空気の流れは、ラック装置１の第一側面１０から第二側面１１へ、即ちコールドアイルＣＡからホットアイルＨＡへ流れる流れである。これにより、第一側面１０から内部へ吸入された冷気は、基板３上の発熱した電子部品を冷却することにより、冷気自身は熱を吸収し暖気Ｗ２となる。

ファン６は、第二側面１１に備えられているので、暖気Ｗ２をさらに吸引し、暖気Ｗ３として、ラック装置１の外部即ちホットアイルＨＡへ暖気Ｗ２を排出する。本実施例では、ファン６は第二側面１１に備えられるが、これに限定されず、第一側面１０に備えられてもよい。好ましくは、ファン６は、負圧で空気の流れを生じさせる方が空気の流れが安定するので、第二側面１１に備えられる。なお、ファン６は、軸流ファン、遠心ファンなどあり、特に限定されない。好ましくは、静圧が高い遠心ファンである。

上述したように、ラック装置１からホットアイルＨＡへ排出された暖気Ｗ３は、電算機室の空気調和システムにより回収、冷却され、再度コールドアイルＣＡに冷気となって排出され、電算機室を循環する。なお、ラック装置１の第一側面１０は、コールドアイルＣＡから冷気Ｗ１を吸入する開口部（図示せず）を有する。

ラック装置１は、さらに第一側面１０に第一センサ４、第二側面１１に第二センサ５を備える。空気の流れは、図示右から左へ流れているので、第一側面１０に備えられた第一センサ４は、第一側面１０から吸入する空気の温度、即ち、コールドアイルＣＡの空気の温度を検知する。また、第二側面１１に備えられた第二センサ５は、基板３の電子部品により暖められた、第二側面１１から排出する空気の温度を検知する。

ラック装置１は、さらに第一センサ４が検知した温度と第二センサ５が検知した温度との差に基づき、ファン６の回転を制御する制御部７を備える。即ち、第二センサ５が検知した温度である第二側面１１から排出する空気の温度は、基板３の電子部品により暖められるので、第一センサ４が検知した温度であるコールドアイルＣＡの空気の温度に比べ、温度は高く、両センサが検知した温度には差がある。制御部７は、この検知温度の差に基づきファン６の回転を制御する。

具体的には、この検知温度差が、事前に定めた目標温度差と異なる場合にファン６の回転速度を変化させる制御を行う。例えば、目標温度差を２０°Ｃと定めた場合、検知温度差が１９°Ｃ〜２１°Ｃの場合、即ち、検知温度差と目標温度差との差が±１°Ｃ以下の場合は、検知した時点でのファン６の回転速度を維持する。検知温度差が２１°Ｃを超える場合、即ち、検知温度差と目標温度差との差が＋１°Ｃ以上の場合は、検知した時点でのファン６の回転速度を上げ、第一側面１０から第二側面１１へ流れる空気の風量を増加させ、基板３上の電子部品の冷却能力を高める。逆に、検知温度差が１９°Ｃを下回る場合、即ち、検知温度差と目標温度差との差が−１°Ｃ以上の場合は、検知した時点でのファン６の回転速度を下げ、不要な電力を使用しないようにする。

通常、コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１の温度が何らかの事情により変化すると、何もしなければホットアイルＨＡに排出される暖気Ｗ３の温度もその変化分変化する。従って、例えば、第二センサ５で検知される温度のみに基づいてファン６の回転速度を制御すると、コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１の温度が変化しただけで、その変化に対応してファン６の回転速度が変化することとなる。しかし、本来コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１の温度は電算機室の空気調和システムにより制御されるべきものであり、それぞれのラック装置の冷却装置に影響を与えることは好ましくなく、このような制御の仕方では、ファン６の回転速度が安定しない。

しかし、本発明のように、制御部７が、第一センサ４が検知した温度と第二センサ５が検知した温度との差に基づきファン６の回転制御を行うと、コールドアイルＣＡの空気の温度が変化しても、検知温度差と目標温度差の差に変化が無い限り、ファン６の回転速度に変化は生じない。その結果、ラック装置１内へ吸引する空気の温度変化に追従せず、ファン６の動作を安定させることができる。

また、ラック装置１内の電子機器の使用量が増え、発熱量が大きくなった場合、コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１の温度は不変であっても、ホットアイルＨＡに排出される暖気Ｗ２やＷ３の温度は高くなり、第一センサ４と第二センサ５が検知した温度の差が大きくなり、その検知温度差と目標温度差の差が大きくなる。その結果、検知温度差が事前に設定された目標温度差より大きくなると、ファン６の回転速度を上げ、第一側面１０から第二側面１１へ流れる空気の風量を増加させ、基板３上の電子部品に対する冷却能力を高めることができる。

なお、回転速度を変化させる制御は、特に限定されず、インバータ制御を行ってもよいし、ファン６の制御信号電圧の値から算出される回転率に基づき制御を行ってもよい。ここで、回転率とは、ファンの現在の回転数／ファンの最大回転数（能力）をいう。例えば、「回転率が５０％」とは、１分間に３０００回転できるファンが１５００回転している状態をいう。

回転率の増減量は、検知温度差と目標温度差の差に基づき求められる。具体的には、検知温度差と目標温度差の差（°Ｃ）を、回転率の増減量（％）としてもよい。例えば、初期の回転率を５０％とした場合、検知温度差と目標温度差の差が±１°Ｃ以下ならば増減させず（現状維持）、その差が＋５°Ｃとなった場合、回転率を＋５％、即ち５５％とし、その後逆にその差が−１０°Ｃなった場合、回転率を−１０％、即ち４５％するような制御を行ってもよい。増減の結果、増減量が４０％未満になる場合は４０％とし、１００％を超える場合は１００％としてもよい。また、回転率の増減は、所定の間隔、例えば、５秒ごとに制御される。

また、第一センサ４と第二センサ５は、ファン６に対応した位置、即ちファン６に対応した高さに備えられており、第一センサ４と第二センサ５は、床Ｆからほぼ同じ高さの位置に備えられている。空気の流れは、床Ｆの床面にほぼ平行に即ち水平に流れる流れなので、第一センサ４が検知した吸入空気温度と第一センサ４と同じ高さに備えられた第二センサ５が検知した排出空気温度は対応したものとなる。従って、検知温度差に変化があった場合は、第一センサ４と第二センサ５の間にある、空気が通過した電子機器の発熱量に変化があったものと考えることができる。

本実施例では、３つのファン６が縦に備えられ、その３つのファン６にそれぞれ対応した位置に、それぞれの第一センサ４と第二センサ５が備えられる。かかる構成とすることにより、ラック装置１内の電子機器の温度変化に追従し、ファンを細やかに制御するラック装置１を提供できる。

さらに、本実施例におけるラック装置１は、ファン６とファン６に対応する第一センサ４及び第二センサ５の組Ｃを垂直方向に３つ備えており、制御部７は、各組Ｃごとに、検知温度差と目標温度差の差に基づき、ファン６の回転を制御してもよい。

通常、コールドアイルＣＡの冷気Ｗ１の温度は、床Ｆに近いほど低く、高さが高いほど温度が高くなり、高さ方向で温度が異なる。このような高さ方向での温度分布は、コールドアイルＣＡを人が移動した場合でも変化するので、高さ方向で異なる排気温度のみで制御すると、ファンの回転は不安定となる。しかし、本発明のように、検知温度差と目標温度差の差に基づきファン６を制御することにより、ラック装置１内へ吸引する空気の温度変化に追従せず、ファン６の動作を安定させることができるとともに、ラック装置１内の電子機器の高さと発熱量に応じた温度変化に追従し、ファンを細やかに制御することができる。

このように制御することは、換言すれば、ラック装置１に収容された電子機器を、ラック装置１に備えられたファン６である吸排気手段によって、冷却する冷却方法である。より具体的には、ラック装置１の外部からラック装置１の中へ吸入する空気の温度と、ラック装置１の中からラック装置１の外へ排出する空気の温度との差、即ち検知温度差に基づき、ファン６である吸排気手段の出力を制御する冷却方法である。かかる冷却方法によれば、ラック装置１内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置１内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御することができる。

図２は、本実施例におけるラック装置１の、第二側面１１即ちリアドア１１方向からの斜視図である。リアドア１１には、ラック装置１内部の暖気を排出するための排気口２０が設けられると共に、ファン６が縦方向に３つ備えられている。本図では、第二センサ５は、リアドア１１の内側に備えられるので、図示しない。

リアドア１１には、検知した温度の表示や温度差の設定が行えるタッチパネル８が備えられる。タッチパネル８の操作の詳細は後述する。また、リアドア１１は、リアドア１１の開閉を検知するドアセンサ２２を備える。例えば、ドアセンサ２２は、リアドア１１が取っ手２１を持って開かれたことを検知すると、安全性を考慮し、ファン６を停止する。

（第一実施例の変形例）
図３Ａは、本変形例の正面図等であり、上記本実施例と異なる点のみ記載する。本変形例におけるラック装置１’では、リアドア１１’は、さらにリアドア内ドア１２を備える。リアドア内ドア１２がファン６’を備え、ファン６’の保守等のためにリアドア内ドア１２のみを開閉することができる。図４に示すように、リアドア内ドア１２を開くと共に、リアドア１１をさらに開くことができるように、リアドア１１とリアドア内ドア１２は、独立して開閉自在に構成される。

また、本変形例におけるラック装置１’では、図３Ｂに示す遠心ファンであるファン６’を備える。リアドア内ドア１２に備えられた遠心ファンであるファン６’は、静圧が高いので、第一側面１０から安定してコールドアイルＣＡから冷気を吸入し、ホットアイルＨＡへ暖気を排出できる。図３Ｂは、矢印により、ファン６’による暖気Ｗ２及びＷ３の排気方向を示す。ラック装置１’内の暖気Ｗ２は、ファン６’に吸引され、暖気Ｗ３として、ダクト２３を通してホットアイルＨＡへ排出される。ダクト２３は、遠心ファンであるファン６’を取り囲むように背面視矩形に構成され、ファン６’が排出する暖気Ｗ３を上下左右均等に吹き出す。ダクト２３の形状は、かかる矩形に限定されず、ファン６’を取り囲むように背面視円形に構成されてもよい。また、上方にのみ吹き出すように構成してもよい。

図５は、タッチパネル８の初期画面を示す。初期画面は、現在の、コールドアイルＣＡから吸入する空気の温度（入空気温度）を右上に、ホットアイルＨＡへ排出する空気の温度（出空気温度）を左上に表示し、それぞれ、３つの組に対応した上、中、下の温度と平均温度を表示する。また、初期画面は、現在の、ファン６’の回転率を左下に表示し、３つの組に対応した上、中、下の回転率と平均の回転率を表示する。

図６は、初期画面の右上にある「Ｍ」のマークをタッチすると、図の中央にある画面遷移メニューが表示され、過去の温度や回転率を示すグラフを表示する画面、過去のログを表示する画面、目標温度差等を設定する画面などを表示してもよい。また、ファンの停止など異常が生じた場合には警告する画面を設けてもよい。

図７は、タッチパネルで目標温度差を入力し、設定する画面を示す。目標温度差等を設定する画面で目標出入温度差の部分をタッチすると、本図の右側に示す目標出入温度差を入力する画面が表示され、目標温度差を入力できる。本図では、目標温度差を２０°Ｃと設定したことを示している。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。

１ ラック装置
２ 筐体
３ 基板
４ 第一センサ
５ 第二センサ
６ ファン
７ 制御部
８ タッチパネル
１０ 第一側面
１１ 第二側面（リアドア）
１２ リアドア内ドア
２０ 排気口
２１ 取っ手
２２ ドアセンサ
２３ ダクト
Ｃ ファン、第一センサと第二センサの組
ＣＡ コールドアイル
ＨＡ ホットアイル

Claims (5)

1. 電子部品を有する１以上の基板を内部に収容するラック装置であって、
   前記ラック装置の第一の側面から外部の空気を吸入し、該空気を第二の側面から外部へ排出するファンと、
   前記第一の側面から吸入する空気の温度を検知する第一センサと、
   前記第二の側面から排出する空気の温度を検知する第二センサと、
   前記第一センサが検知した温度と前記第二センサが検知した温度との差に基づき、前記ファンの回転を制御する制御部と、
   を備えるラック装置。
2. 前記第一センサと前記第二センサは、前記ファンに対応した高さに備えられ、
   前記制御部は、前記ファンに対応した前記第一センサと前記第二センサが検知した温度の差に基づき、前記ファンの回転を制御することを特徴とする請求項１に記載のラック装置。
3. 前記ファンと前記ファンに対応する前記第一センサ及び前記第二センサの組を垂直方向に複数備え、
   前記制御部は、各組ごとに、前記差に基づき、前記ファンの回転を制御することを特徴とする請求項２に記載のラック装置。
4. 前記基板は筐体の内部に備えられ、前記筐体を内部に載置することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のラック装置。
5. ラック装置に収容された電子機器を、前記ラック装置に備えられた吸排気手段によって、冷却する冷却方法であって、
   前記ラック装置の外部から前記ラック装置の中へ吸入する空気の温度と、前記ラック装置の中から前記ラック装置の外へ排出する空気の温度との差に基づき、前記吸排気手段の出力を制御する冷却方法。